大热输入焊接对船用厚板的冶金质量要求

冯胜昆，周文，屈江艳

招商局重工（江苏）有限公司 江苏海门 226116

1 序言

在大型船舶制造中，为提高焊接效率，采用大热输入焊接工艺已成为大厚板拼板焊缝的必然选择[1]。我公司在焊接长18m、厚49mm的 EH36拼板焊缝时采用双丝埋弧焊工艺，其焊接热输入达60～80kJ/cm，焊接效率较普通单丝埋弧焊成倍提高。而在焊接工艺一次性评定合格后，进行模拟实际生产工况的大拼板双丝埋弧焊焊接试验时，焊缝中不可避免地会产生相当数量的横向延迟裂纹及少量纵向裂纹，此缺陷是焊接生产中不可接受的，且即使进行手工焊返修，也将极大地降低生产效率。

大热输入焊接时，由于焊接熔池区峰值温度高，焊缝熔合比大，合金元素烧损多，再加之单道焊缝厚度大、形状不理想，因此所得到的焊缝组织及成分分布不均[2，3]，特别是当母材、焊接材料中杂质元素偏多时，会在焊缝一定厚度上聚集，最终在大拼板强拘束下形成焊接缺陷。虽然船级社规范对用于超过50kJ/cm大热输入焊接的钢材成分、力学性能做了规定，且要求必须通过焊接试验来验证其焊接性，但对于大热输入焊接工艺来说，首先是对化学成分的限制偏宽松，特别是C、P、S等有害元素；其次是对钢材成分、组织偏析规定不清，导致母材成分分布不均匀，促使焊接区缺陷的产生；另外，无论是钢材认可时的焊接试验还是船厂的工艺评定试验，因焊接试板尺寸小，同实际生产中的接头拘束度差异大，所以都不可能有效检测出钢材在特定生产条件下的裂纹敏感性。

钢材的冶金质量是影响焊缝组织及残余氢含量的重要因素之一，而焊缝成分不良是焊缝裂纹产生的内在原因[4，5]。本文通过焊接对比试验，在初步确定焊缝裂纹产生原因的基础上重点研究了钢材的冶金质量，证明了钢材冶金质量不佳是实际生产中大热输入焊接时焊缝裂纹产生的直接原因。

2 分析方法

2.1 焊接对比试验

以厚49mm的EH36钢材供货状态、生产厂家及焊接材料牌号为变量，在相同焊接条件下，采用优化的焊接工艺对以上几个变量进行焊接对比试验（见表1），接头形式如图1所示。

图1 焊道布置及横向裂纹位置

表1 不同供货状态的母材与焊接材料的试验组合

2.2 钢材冶金质量检测试验

根据焊接工艺优化后进行的焊接对比试验结果，初步判定焊缝中横向及少量纵向裂纹的产生与母材内部冶金质量有较为直接的关系，因此对上述焊接试验用钢材进行了成分光谱检测、显微组织评定、热酸浸蚀及拉伸断口检测等试验。

3 试验结果及分析

3.1 焊接对比试验结果

由表1可知，对A厂生产的两种供货状态的该规格钢板，采用相同的焊接材料H14/S-707T进行焊接，结果为正火态钢板焊缝中裂纹数量为12处，而采用TMCP态同规格钢板焊后焊缝中未发现线性缺陷。为排除焊接材料因素影响，采用TSW-12KHG/TF210焊接材料以相同工艺焊接上述两种供货状态的钢板，结果为正火态钢板焊后裂纹区域数同样较多，主要集中于距后焊侧表面15～20mm处。而TMCP态钢材焊缝中仍未发现横向或纵向缺陷。对焊缝中产生的线性缺陷进行剖析及弯曲试验，明显为裂纹缺陷，如图2所示。

图2 焊缝中裂纹

因此，初步判定焊缝中产生的裂纹缺陷与钢材冶金质量关系重大。为进一步验证上述结论，采用了B厂生产的同材质、同规格的TMCP态钢板分别进行以上两种焊接材料焊接，焊后均未发现焊缝中有线性缺陷。

3.2 钢材内部冶金质量结果

根据焊接对比试验结果，后续对该规格的钢板冶金质量进行重点检查，主要有化学成分光谱检测、显微组织评定、热酸浸蚀及拉伸断口检测等试验，以期检验钢板内部冶金质量。

（1）钢材化学成分 不同生产厂家及供货状态的钢材化学成分见表2。由表2可知，A厂生产的钢板，无论是正火态还是TMCP态，其C、S等元素含量均较B厂的高，且其正火态与TMCP态钢板成分差异不大。

表2 不同生产厂家及供货状态的钢材化学成分（质量分数） （%）

（2）显微组织评定 分别制取A厂生产的正火态、TMCP态及B厂生产的TMCP态钢板金相试样，进行100倍组织检查，如图3所示。

图3 钢板内部显微组织评定

由图3可知，A厂生产的正火态钢板在厚度中心区存在严重的带状组织现象，即珠光体偏析，而与其成分相近的TMCP态钢板内部未见有组织偏析现象；B厂生产的TMCP态钢板，未显示有明显带状组织出现。

（3）热酸浸蚀 用1∶1盐酸水溶液在80℃条件下对A厂两种工艺下生产的钢板试样进行20min腐蚀试验，其中试样2号、3号为正火态，试样4号、5号为TMCP态，结果如图4所示。由此可见，相同规格的钢板，正火态厚度中心处珠光体偏析严重，即渗碳体聚集形成带状，说明该厂的正火态钢板厚度中心成分偏析严重，特别是S、P等有害元素[6]。TMCP态钢板虽然元素含量与正火态钢板差异不大，但通过合理控制轧制过程，减轻甚至避免了带状组织、有害元素偏析现象。

图4 不同供货状态钢板的热酸浸蚀结果

（4）Z向拉伸试验 分别对正火态的2号、3号钢板及TMCP态的4号、5号钢板试样进行Z向拉伸试验，其拉伸断口形貌如图5所示。正火态钢板的Z向拉伸断口较为平整（见图5a），且3号试样断口有明显氢白点出现（见图5b），进一步说明正火态的钢板厚度中心存在严重的杂质偏析，且H等有害元素控制不良；代表TMCP态的4号、5号钢板Z向拉伸断口有明显变形缩颈现象（见图5c）。而对上述两种供货状态的钢板分别进行沿垂直轧制方向进行拉伸试验，力学指标虽然都满足使用要求，但正火态钢板均出现了厚度中心断口分层现象（见图5d）。

图5 拉伸断口形貌

3.3 焊缝中裂纹与钢材冶金质量关系分析

大热输入焊接条件下在焊缝中心距后焊侧表面15～20mm区域既有纵向裂纹又有横向裂纹产生，且均发生于A厂生产的正火态钢板焊缝中。通过焊接对比及一系列钢板冶金质量检测试验，得出焊缝中产生横向及纵向裂纹是因为钢板内部存在严重的带状组织及有害元素含量高且分布不均。

为适应大热输入焊接条件，厚板接头需具有10～15mm钝边量。在正面焊接完成焊道1、2、3后，翻身焊接反面第一道焊道4时（见图1），为保证根部焊透，需要采用单丝焊接电流超过1200A进行慢速焊接，此时焊接热输入超过80kJ/cm，形成一条深度20～25mm指状焊道，且母材大量熔入焊缝，稀释焊缝金属。因带状组织是S、P等杂质元素或合金元素偏析的结果[8]，所以这些偏析元素随着母材大量熔入焊缝，但并不足以充分均匀化，仍可能形成局部偏析。S、P等有害元素得以有更大机会生成低熔点产物，且保持相对聚集状态，不能从如此深的焊道中上浮至焊道表面，加剧了焊缝金属的热脆性。在整个接头自重强拘束下，在距焊道4表面0～5mm处形成宽大的纵向裂纹。钢板冶金质量不佳，在内部带状组织周围及钢板厚度中心杂质元素聚集处残余氢含量也必然较高，且已被Z向拉伸断口存在氢白点所证实。因此，虽然焊接材料氢含量很低，且预热后层间温度得到了有效控制，但由于母材内氢含量较高，在母材大量熔入形成的大厚度焊缝中，特别是氢溢出不完全，所以在焊道近表面也将存在大量残余氢。残余氢在杂质元素偏析处聚集，在大热输入带来的高热应力及接头自重强拘束条件下便形成横向延迟裂纹[7，8]，与纵向裂纹均主要集中于距后焊侧表面15～20mm，即反面根部焊道近表面处。

3.4 对大热输入船用厚板冶金质量的要求

在钢板化学成分及力学性能均满足船级社规范要求时，采用大热输入双丝埋弧焊后焊缝中出现了大面积横向延迟裂纹及少量纵向裂纹。由此可见，用于大热输入焊接的船用厚板需具有更高的冶金质量，同时建议行业规范及采购协议中能够提出明确要求。

1）严格限制钢板内部产生带状组织程度，按照GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》规定，不应高于3级。

2）尽量减少S、P等杂质元素含量，至少应尽量减轻其偏析程度，且热酸浸蚀试验后不应出现明显的连续黑色条带。

3）提高铸坯质量，严格限制钢材内部氢含量。4）不应接收出现拉伸断口分层的产品。

4 结束语

采用大热输入工艺焊接船用大尺寸厚板拼板焊缝时，焊缝中产生的大面积横向裂纹及少量纵向裂纹缺陷与钢板内部冶金质量有关，钢材内部带状组织严重、有害元素偏析及残余氢含量高是焊缝中裂纹产生的直接原因。大热输入焊接对被焊钢材的冶金质量更为敏感，因此应严格限制钢材的成分偏析及有害元素含量，提高质量验收要求。通过模拟实际生产工况的大拼板双丝埋弧焊焊接试验及分析，可以提前发现问题，进而制定更有针对性的钢板采购验收要求。